任照環(huán) 李衛(wèi)平 曾宇 何靜 覃彬全 許偉

(1.重慶市防雷中心，重慶 401147; 2.重慶萊霆防雷技術(shù)有限責(zé)任公司,重慶 401147; 3.重慶市氣象安全技術(shù)中心，重慶 401147)

引言

雷電災(zāi)害是一種極具破壞性的氣象災(zāi)害，給人類(lèi)社會(huì)造成過(guò)重大人員死傷和財(cái)產(chǎn)損失，因此雷電災(zāi)害已被聯(lián)合國(guó)有關(guān)部門(mén)列為最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一[1]。建立有效的雷電定位系統(tǒng)進(jìn)行雷電監(jiān)測(cè)，對(duì)了解雷電特性和雷電災(zāi)害的預(yù)防工作具有指導(dǎo)意義[2]。

20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，中國(guó)就有多家科研單位致力于雷電定位系統(tǒng)的研制工作，90年代ADTD型閃電定位儀研制成功，2008年中國(guó)氣象局開(kāi)始全國(guó)組網(wǎng)運(yùn)行，同步建成了國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心，監(jiān)測(cè)范圍涵蓋全國(guó)大部分地區(qū)，在雷電活動(dòng)規(guī)律研究、雷災(zāi)調(diào)查、雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)、雷電預(yù)警等方面都有重要價(jià)值[3]。王娟和湛蕓[4]利用全國(guó)雷電定位數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)閃電的時(shí)空分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)；王學(xué)良等[5]、丁旻等[6]、王欣眉等[7]分別利用雷電定位數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)氐牡亻W活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究；高文勝等[8]對(duì)雷電定位數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，并利用線性外推法開(kāi)展15 min內(nèi)的雷暴云位置預(yù)測(cè)；李永福等[9]研究了雷電流參數(shù)隨海拔增加的變化規(guī)律；陳家宏等[10]利用雷電定位資料，在IEEE工作組和電力行業(yè)規(guī)程中采用的概率分布公式的基礎(chǔ)上，研究了我國(guó)雷電流幅值分布特征；李家啟和申雙和[11]分析了海拔高度大于800 m丘陵山區(qū)閃電的時(shí)間和高程屬性特征，并獲得了丘陵山區(qū)雷電流幅值的累積概率分布曲線，為防雷設(shè)計(jì)、施工提供了可靠的科學(xué)依據(jù)；司馬文霞等[12]運(yùn)用其提出的改進(jìn)網(wǎng)格法對(duì)雷電日、雷電小時(shí)、地閃密度3類(lèi)雷電參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)該方法可信度和空間精確度做了分析，可為差異化防雷設(shè)計(jì)提供支持；陸國(guó)俊等[13]分析了廣東地區(qū)的雷電參數(shù)，并繪制了廣州電網(wǎng) 500 kV 蓄增甲線走廊沿線雷電密度分布圖，為高雷區(qū)電網(wǎng)防雷提供了指導(dǎo)。

重慶由于復(fù)雜的地形以及處于南北兩支氣流的匯合處等特點(diǎn)，導(dǎo)致雷電活動(dòng)非常強(qiáng)烈，每年因雷擊造成的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失巨大，引起社會(huì)的極大關(guān)注。2007年4月重慶市第二代雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(ADTD)建成投入使用，積累了大量數(shù)據(jù)，前人[11,14-16]對(duì)重慶市雷電參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，為防雷工作的開(kāi)展打下了良好的基礎(chǔ)，但這些工作主要集中在2013年以前，所用的資料年限較短，并不能反映本區(qū)域雷電特征的全貌。從ADTD系統(tǒng)的建立到現(xiàn)在已經(jīng)積累超過(guò)10 a的資料，利用這些資料可以得出可信度較高的雷電參數(shù)，因此有必要對(duì)重慶市雷電活動(dòng)規(guī)律進(jìn)一步研究。本文利用2008—2019年ADTD雷電監(jiān)測(cè)資料，對(duì)重慶地閃活動(dòng)的極性、時(shí)間變化規(guī)律，以及電流幅值、陡度的累積概率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用ArcGIS的空間統(tǒng)計(jì)功能，得到地閃密度空間分布特征，并與地形相結(jié)合，分析地形對(duì)雷電高值中心的影響。

1 資料及方法

1.1 閃電定位資料

重慶市ADTD雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建于2007年4月(圖1)，包括1個(gè)主站(沙坪壩)、4個(gè)子站(城口、石柱、酉陽(yáng)、云陽(yáng))，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地閃發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)(經(jīng)度、緯度)、強(qiáng)度(幅值、陡度)和極性的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效率可達(dá)95%[14]。本文ADTD資料來(lái)源于重慶市氣象信息共享服務(wù)平臺(tái)，時(shí)間為2008—2019年。

圖1 重慶市ADTD站點(diǎn)布局

閃電定位資料只保留雷電流幅值絕對(duì)值在2—200 kA之間的數(shù)據(jù)，將資料整理為CSV格式，導(dǎo)入ArcGIS軟件，利用ArcGIS空間分析功能，形成地閃密度(因本文ADTD資料未作歸集，故地閃密度實(shí)為雷擊點(diǎn)密度)，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格單元大小為3 km × 3 km[17]。

1.2 概率分布統(tǒng)計(jì)方法

IEEE工作組推薦的電流幅值累積概率分布公式為[18-19]

(1)

式(1)中，I為電流幅值(kA)；P(>I) 為電流幅值超過(guò)I的概率；a1、b1為未知參數(shù)，IEEE推薦a1的取值為31，b1的取值為2.6，推薦參數(shù)是全球電流幅值的平均結(jié)果，然而雷電活動(dòng)的時(shí)空分布差異巨大，不宜直接采用該平均結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用中往往根據(jù)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)某個(gè)特定地區(qū)或線路走廊的雷電地閃監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到[20]。

大量研究表明，陡度與電流幅值呈顯著的正相關(guān)[18]，因此陡度累積概率分布的原型函數(shù)也采用如下形式

(2)

式(2)中，w為陡度(kA·μs-1)；P(>w)為雷電流陡度超過(guò)w的概率；a2、b2為未知參數(shù)。

雖然幅值I、陡度w的理論取值為(0，∞)，但是自然界幅值大于200 kA、陡度大于100 kA·μs-1的雷電流較為罕見(jiàn)，因此電流幅值的擬合范圍選在(0，200)、陡度的擬合范圍則選在(0,100)。

因此，本文以式(1)和式(2)為原型函數(shù)，利用最小二乘法計(jì)算未知參數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 地閃頻次分布特征

2.1.1 年際變化

圖2為2008—2019年重慶地閃頻數(shù)年際變化，重慶區(qū)域平均每年發(fā)生地閃2.08×105次，2018年雷電活動(dòng)最為頻繁，共監(jiān)測(cè)到地閃3.04×105次，其次是2010年，共監(jiān)測(cè)到地閃2.82×105次，地閃最少的年份是2015年，監(jiān)測(cè)到地閃1.27×105次，最多年份是最少年份的2.39倍。地閃年際變化較大。2008—2013年，地閃次數(shù)維持在1.9×105—2.8×105次，2014—2017 年，年地閃頻數(shù)下降到1.2×105—1.6×105次，到2018年地閃頻數(shù)陡升至3.0×105次以上；負(fù)地閃比例較高，約為總數(shù)的95.7%，正地閃僅占4.3%，這與貴州[6]、湖北[21]的統(tǒng)計(jì)基本一致；2013年及以前正地閃占總地閃的比例小于4.0%，2010年正地閃比例最低，只占總地閃的3.0%，2014年開(kāi)始正地閃比例開(kāi)始增加，2019年正地閃比例最高，占總地閃的7.9%(圖略)。

圖2 2008—2019年重慶市地閃頻數(shù)年際變化

2.1.2 月際變化

圖3是重慶市正地閃、負(fù)地閃、總地閃頻數(shù)的月際變化，三者變化規(guī)律一致，都呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，1月、2月地閃較少，平均每年1月、2月監(jiān)測(cè)到地閃分別為34次、631次，從3月開(kāi)始地閃逐漸增多，到7月到達(dá)頂峰，達(dá)5.87×104次，9月開(kāi)始地閃快速減少，到12月減少到4.3次。其中地閃主要發(fā)生在4—9 月，占全年的94%，7—8 月為地閃高發(fā)期，兩個(gè)月占全年的57.9%。7—8 月也是重慶強(qiáng)對(duì)流頻發(fā)的時(shí)期，這是因?yàn)槭⑾臅r(shí)節(jié)對(duì)流旺盛，0 ℃層高度較高，所積累的不穩(wěn)定能量增強(qiáng)，對(duì)流活動(dòng)向上發(fā)展，這有利于云內(nèi)冰晶、霰粒等相互碰撞摩擦后在不同部位形成正負(fù)電荷累積[4]，最終形成閃電。12月至翌年2月(冬季)發(fā)生的地閃很少，只占占全年地閃的0.33%。冬季中國(guó)主要受大陸冷氣團(tuán)控制，空氣寒冷而干燥，加之太陽(yáng)輻射弱，對(duì)流天氣很難產(chǎn)生，極少發(fā)生雷暴天氣。正地閃占總地閃的比例則與總地閃頻數(shù)成反比，7—8月雷電活動(dòng)頻繁，正地閃比例較低，約占總地閃的2%，12月至翌年1月雷電活動(dòng)稀少，正地閃比例占總地閃的24%—30%，造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是秋冬季雷暴活動(dòng)較弱，而較弱的雷暴產(chǎn)生正地閃的比例更大(圖略)。

圖3 2008—2019年重慶市地閃頻數(shù)月變化

2.1.3 日變化

圖4是重慶市正地閃、負(fù)地閃、總閃頻數(shù)的日變化，負(fù)閃日變化呈雙峰型，夜間03 時(shí)及下午17時(shí)達(dá)到峰值，地閃次數(shù)分別為1.22×104次·h-1和1.35×104次·h-1；10—13時(shí)處于低值段，12 時(shí)達(dá)到最小值，為2 483次·h-1，最大值是最小值的5.04倍；總地閃日變化趨勢(shì)與負(fù)地閃一致，這是因?yàn)榈亻W主要由負(fù)地閃構(gòu)成，占其總數(shù)的95.7%。03 時(shí)的峰值與重慶地區(qū)強(qiáng)降水事件主要集中在03—05時(shí)相對(duì)應(yīng)[22]，17時(shí)的峰值可能是由于重慶地區(qū)下墊面多河流和山地，夏季受陽(yáng)光照射，午后地面氣溫較高，容易形成熱對(duì)流，造成短時(shí)局地雷雨天氣。正地閃日變化趨勢(shì)與負(fù)地閃相比，呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的區(qū)別：一方面峰值出現(xiàn)時(shí)間比負(fù)地閃要晚1—2 h，這可能是在雷暴減弱階段，正地閃比例更高所引起的。另一方面午后雷電活動(dòng)存在一個(gè)高峰期，負(fù)地閃在此時(shí)的峰值高于夜間的峰值，而正地閃的峰值遠(yuǎn)小于夜間，這可能是因?yàn)橹貞c獨(dú)特的地形導(dǎo)致午后活動(dòng)的雷暴都較強(qiáng)，更不容易產(chǎn)生正地閃。

圖4 2008—2019年重慶市地閃頻數(shù)日變化

2.1.4 空間分布

由圖5可知，重慶市地閃密度分布有4個(gè)高值中心，即江津北部至九龍坡、渝北一帶，地閃密度大于6次·km-2·a-1；開(kāi)州南部、云陽(yáng)西部至萬(wàn)州北部一帶，地閃密度大于3次·km-2·a-1，局部超過(guò)6次·km-2·a-1；大足西部、永川南部至榮昌一帶，地閃密度大于3次·km-2·a-1；忠縣南部至石柱西部一帶，地閃密度大于3次·km-2·a-1。渝東北的城口、巫山、巫溪、奉節(jié)，渝東南黔江、酉陽(yáng)、秀山及中部的武隆等地為地閃密度相對(duì)低值區(qū)，地閃密度小于2次·km-2·a-1。

圖5 2008—2019年重慶市平均地閃密度空間分布

2.1.5 地形對(duì)地閃的影響

結(jié)合圖1和圖5可以看出，地閃密度大值區(qū)多集中于山脈的交匯處以及渝西的臺(tái)地-丘陵向山地的過(guò)渡地帶。江津—渝北中心位于中梁山、南山之間，華鎣山、龍王洞山、銅鑼山以南，并沿銅鑼山與南山之間的缺口向東延伸；開(kāi)州—萬(wàn)州中心位于大巴山與鐵峰山、精華山等平行山列的交匯地帶；忠縣—石柱中心位于挖斷山和方斗山的交匯地帶；大足—榮昌中心位于臺(tái)地—丘陵向山地的過(guò)渡地帶。造成這種現(xiàn)象的原因是地形的強(qiáng)迫抬升作用使得對(duì)流發(fā)展可使局地降水增強(qiáng)，也能夠作為中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制，造成不穩(wěn)定能量釋放，因此在山區(qū)的迎風(fēng)坡雷暴較多。

2.2 地閃電流幅值及陡度特征

2.2.1 年變化特征

從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，總地閃雷電流幅值年變化范圍為32.0—41.1 kA，均值為37.9 kA，陡度年變化范圍為8.3—11.4 kA·μs-1，均值為10.1 kA·μs-1。正地閃雷電流幅值年變化范圍為39.8—63.6 kA，均值為55.8 kA，陡度年變化范圍為8.9—14.3 kA·μs-1，均值為11.7 kA·μs-1；負(fù)地閃雷電流幅值年變化范圍為31.6—39.9 kA，均值為37.1 kA，陡度年變化范圍為8.2—11.3 kA·μs-1，均值為10.0 kA·μs-1。正地閃平均雷電流幅值和陡度均大于負(fù)地閃。

表1 雷電流幅值及陡度統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 概率分布特征

從表2可見(jiàn)，總閃雷電流陡度超過(guò)20.9 kA·μs-1的概率為5%，超過(guò)9.2 kA·μs-1的概率為50%，超過(guò)6.1 kA·μs-1的概率為80%，這一結(jié)果與王學(xué)良等[17]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。總地閃雷電流幅值超過(guò)83.9 kA的概率為5%，超過(guò)32.6 kA的概率為50%，超過(guò)21.8 kA的概率為80%。

表2 不同雷電流幅值及陡度累積概率

由圖6a和圖6b可知，以1 kA的間隔統(tǒng)計(jì)電流幅值及陡度的概率密度分布，幅值及陡度均顯現(xiàn)出明顯的集聚效應(yīng)。總地閃電流幅值主要集中在10—50 kA，占總數(shù)的80%，其中20—40 kA占54%，概率峰值出現(xiàn)在28 kA，占比為3%；陡度主要集中在5—20 kA·μs-1，占總數(shù)的91%，其中5—15 kA·μs-1占80%，陡度概率峰值出現(xiàn)在8 kA·μs-1，占比為10%。負(fù)地閃電流幅值、陡度概率密度分布曲線與總地閃曲線基本重合。正地閃電流幅值概率密度分布曲線變化更平緩，主要集中在15—85 kA，占總數(shù)的80%，概率密度峰值出現(xiàn)在29 kA；正地閃陡度主要集中在2—15 kA·μs-1，占總數(shù)的80%，概率密度峰值出現(xiàn)在6 kA·μs-1，占比為9%。

利用最小二乘法計(jì)算未知參數(shù)，得到重慶市總閃電流幅值的累積概率分布函數(shù)為

(3)

重慶市總閃陡度的累積概率分布函數(shù)為

(4)

本文擬合得到的雷電流幅值及陡度累積概率分布函數(shù)與李家啟[15]等利用1999—2008年LLS資料擬合的結(jié)果有差異，這種差異可能是由于資料年限不同造成的。

由圖6c和圖6d給出了總閃雷電流幅值、陡度的擬合函數(shù)與觀測(cè)值的對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)，觀測(cè)值及擬合值差異較小，觀測(cè)值和擬合值的相關(guān)系數(shù)分別為0.9997及0.9998，均超過(guò)0.999，說(shuō)明擬合效果較好。

圖6 雷電流幅值(a)及陡度(b)概率密度分布和雷電流幅值(c)及陡度(d)概率分布擬合

3 結(jié)論

(1)重慶平均每年發(fā)生地閃2.08×105次，地閃頻次年際變化大，最多年(2018年)發(fā)生地閃3.04×105次，最少年(2015年)發(fā)生地閃1.27×105次，最多年是最少年的2.39倍；負(fù)極性的地閃比例較高，約為總數(shù)的95.7%，正極性的地閃僅占4.3%。

(2) 地閃主要發(fā)生在4—9月，占全年的94%，其中7—8月為高發(fā)期，占全年的57.9%。日變化呈雙峰型，負(fù)地閃在夜間03 時(shí)及下午17 時(shí)到達(dá)峰值，正地閃日變化峰值出現(xiàn)時(shí)間比負(fù)地閃要晚1—2 h，且午后的峰值遠(yuǎn)小于夜間。

(3)地閃密度與地形關(guān)系密切，高值區(qū)主要位于山脈的交匯處及渝西的臺(tái)地—丘陵向山地的過(guò)渡地帶。江津—渝北中心位于中梁山、南山之間，華鎣山、龍王洞山、銅鑼山以南，并沿銅鑼山與南山之間的缺口向東延伸；開(kāi)州—萬(wàn)州中心位于大巴山與鐵峰山、精華山等平行山列的交匯地帶；忠縣—石柱中心位于挖斷山和方斗山的交匯地帶；大足—榮昌中心位于臺(tái)地—丘陵向山地的過(guò)渡地帶。

(4)總地閃雷電流幅值平均值為37.9 kA，陡度平均值為10.1 kA·μs-1；正地閃雷電流幅值平均值為55.8 kA，陡度平均值為11.7 kA·μs-1；負(fù)地閃雷電流幅值平均值為37.1 kA，陡度平均值為10.0 kA·μs-1；正地閃幅值及陡度的均值都大于負(fù)地閃。

(5)總閃雷電流幅值主要集中在10—50 kA，峰值出現(xiàn)在28 kA，其中超過(guò)83.9 kA的概率為5%，超過(guò)32.6 kA的概率為50%；陡度主要集中在5—20 kA·μs-1，峰值出現(xiàn)在8 kA·μs-1，其中超過(guò)20.9 kA·μs-1的概率為5%，超過(guò)9.2 kA·μs-1的概率為50%。

(6)利用最小二乘法回歸擬合得到總地閃幅值及陡度的累積概率分布函數(shù)，觀測(cè)值和擬合值基本一致，二者相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.999，擬合效果較好。